Erosion damage on solid boundaries in contact with liquid metals by impulsive pressure injection

液体金属に接する固体金属表面のパルス圧力波入射による壊食損傷

二川 正敏  ; 粉川 広行  ; 日野 竜太郎; 伊達 秀文*; 武石 洋征*

Futakawa, Masatoshi; Kogawa, Hiroyuki; Hino, Ryutaro; Date, Hidefumi*; Takeishi, Hiromasa*

核破砕液体水銀ターゲットでは、陽子線ターゲット入射時の発熱現象に伴う熱膨張により圧力波が生じる。液体/固体金属界面における圧力波(液体中)から応力波(固体金属中)への動的伝播挙動は複雑な連成問題となる。液体/固体金属の音響インピーダンスの差異から、圧力波の伝播過程で液/固体界面では巨視的あるいは微視的な不連続変動に伴った負圧が生じる。したがって、液体界面ではいわゆるキャビテーションが生じ易い条件が成立し、キャビテーション崩壊に伴う衝撃波やマイクロジェットによる固体界面の損傷が懸念される。そこで、Split-Hopkinson-Pressure-Bar(SHPB)原理に基づく衝撃負荷装置により、平面歪み波を水銀中に入射させることで液体/固体金属界面に急速変動を与えて、界面における応力波/圧力波変換挙動及び壊食損傷について4種類の金属材料に対して検討した。その結果、損傷の程度は材料の硬さに対応し、硬度の増加に伴い損傷の程度は低下すること、壊食痕周囲に発達したすべり線分布から局所的に動的降伏応力を越える圧力が作用したことがわかった。

JAERI is carrying out research & development to construct the a of spallation neutron source facility, which may bring us innovative science fields. A high power proton beam will be injected into a liquid mercury target to produce neutrons. The mercury vessel will consequently be subjected to the pressure waves generated by rapid thermal expansion. The pressure waves will propagate from the liquid mercury into the vessel solid metal, and back again. The pressure waves may induce erosion at the interface between the solid metal vessel and the liquid mercury under certain loading conditions, e.g. impact. In order to investigate the impact erosion damage due to the pressure wave, we have carried out impact experiments using a modified conventional split Hopkinson pressure bar apparatus on mercury filling a small chamber. Surface degradation in the form of many pits was observed and the ranking order of damage was found to be A6061316SS@Inconel600Maraging steel, which is the same as that of hardness.